CN111308264B - 一种基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非有效接地配电网技术，具体涉及一种基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法，包括建立待定位的中压配电网的电磁暂态数字仿真模型，包含110kV变电站主变压器模型、中压配电线路模型、配电变压器模型和负荷模型；在变电站中压配电线路母线处设置单相接地故障，获取各采样点处的标准波形数据；当实际配电网发生单相接地故障，通过现场各采集点处采样得到实际的故障暂态零序电流；基于余弦相似度求取实际故障暂态零序电流数据与标准波形数据的相似度；分析两个相邻采样点的故障暂态零序电流相似度差异，从而判断是两个相邻采样点之间发生单相接地故障或母线发生单相接地故障。该方法不受分支线路影响，不受电缆架空混合线路影响。

Description

一种基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法

技术领域

本发明属于非有效接地配电网技术领域，尤其涉及一种基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法。

背景技术

现有非有效接地配电网单相接地故障区段定位方法按照其利用信息的不同，大致可分为2类：一是基于外加注入信号的故障区段定位方法；二是利用单相接地故障时的电气量变化特征进行故障区段定位，其又可分为基于故障稳态分量的故障区段定位法、基于故障暂态分量的故障区段定位法和综合定位方法。根据现场实际应用经验来看，目前基于上传的暂态零序电流特征相似性比对的区段定位方法应用最为广泛。但现场中压配电线路结构复杂，在有分支处的线路节点处，分支点前和分支点后采集到的零序电流特征会出现较大的变化，严重影响到传统基于上传的暂态零序电流特征相似性比对的区段定位方法的正确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种不受分支线路影响，不受电缆架空混合线路影响的配电网单相接地故障区段定位方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法，包括以下步骤：

步骤1、建立待定位的中压配电网的电磁暂态数字仿真模型，包含110kV变电站主变压器模型、中压配电线路模型、配电变压器模型和负荷模型；

步骤2、在变电站中压配电线路母线处设置单相接地故障，获取各采样点处的标准波形数据；

步骤3、当实际配电网发生单相接地故障，通过现场各采样点处采样得到实际的故障暂态零序电流；

步骤4、基于余弦相似度求取实际故障暂态零序电流数据与标准波形数据的相似度；

步骤5、分析两个相邻采样点的故障暂态零序电流相似度差异，从而判断是两个相邻采样点之间发生单相接地故障或母线发生单相接地故障。

在上述的基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法中，步骤1的实现具体包括：根据实际配电网中电流监测点的个数n，在数字仿真模型对应位置处设定n个采样点；采样点的序号按以110kV变电站中压侧母线为起点，以配电变压器为末端顺序编号；

在上述的基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法中，步骤2的实现具体包括：通过在变电站中压配电线路母线处设置单相接地故障，得到中压配电线路各采样点的故障暂态零序电流i₀₁，i₀₂，…，i_0n；i_0m表示第m个采样点处采集到的故障暂态零序电流，m＝1，2，3，…，n；称为第m个采样点处的标准电流波形。

在上述的基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法中，步骤3的实现具体包括：当实际配电网发生单相接地故障时，现场各采集点处将采样得到实际的故障暂态零序电流i'₀₁，i'₀₂，…，i'_0n；i'_0m表示第m个采样点处实际采样得到的故障暂态零序电流，m＝1，2，3，…，n。

在上述的基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法中，步骤4的实现具体包括：利用余弦相似度，计算第m个采样点处实际采样得到的故障暂态零序电流i'_0m与仿真得到的标准电流波形i_0m之间的相似度，公式为：

其中，ρ_m为相似度；p为故障暂态零序电流故障后两个周波内的采样点数；k代表故障后的采样点序号；m＝1，2，3，…，n。

在上述的基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法中，步骤5的实现具体包括：通过分析两个相邻采样点的故障暂态零序电流相似度差异，判断单相接地故障是否发生在两个相邻采样点之间；设采样点i和采样点j相邻，若ρ_i＞k_setρ_j或ρ_i＜ρ_j/k_set，则单相接地故障发生在这两个相邻采样点之间；若任意两个相邻采样点均不满足这一条件，则单相接地故障发生在母线处；k_set为整定系数，取值为2。

本发明的有益效果：(1)利用配电网电磁暂态仿真模型中母线处单相接地故障下各采样点的暂态零序电流波形，与实际发生故障时各采样点采样得到的暂态零序电流波形做余弦相似比较，可充分利用暂态过程的全部数据，避免单独使用幅值或相位造成的有效信息过少的缺点。

(2)利用余弦相似度计算实际发生故障时各采样点采样得到的暂态零序电流波形和标准波形之间的相似性，可克服分支点前后、电缆架空连接点前后波形相似性突变造成区段定位误判的问题，准确性高，适应性强。

附图说明

图1一种基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位新方法；

图2某典型经消弧线圈装置接地的配电网；黑色点代表采样点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

为提高传统配电网单相接地故障区段定位方法的正确性，本实施例提出了一种新的方法，首先建立实际配电网的数字仿真模型；然后设置110kV变电站馈线母线发生单相接地故障，得到中压配电线路沿线路布置得各采集装置位置处的暂态零序电流波形数据，将这些波形数据存为标准数据；一旦中压配电线路发生单相接地故障，则利用余弦相似度计算各位置采集到的暂态零序电流波形与预先得到的标准波形的相似度；根据故障位置之后的零序波形相似度高、故障位置之前的零序波形相似度低这一特点，实现准确地故障定位。该方法不受分支线路影响，不受电缆架空混合线路影响。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，一种基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法，包括：

S1、建立待定位的中压配电网的电磁暂态数字仿真模型，含110kV变电站主变压器模型、中压配电线路模型、配电变压器模型和负荷模型，根据实际配电网中电流监测点的个数n，在数字仿真模型对应位置处设定n个采样点。一般采样点的序号按以110kV变电站中压侧母线为起点，以配电变压器为末端顺序编号。

S2、在所建立的配电网电磁暂态数字仿真模型中，于110kV变电站中压配电线路母线处设置单相接地故障，得到各采样点的故障暂态零序电流i₀₁，i₀₂，…，i_0n。i_0m代表第m个采样点处采集到的故障暂态零序电流，称为第m个采样点处的标准电流波形。

S3、一旦实际配电网发生单相接地故障，则现场各采集点处将采样得到实际的故障暂态零序电流i'₀₁，i'₀₂，…，i'_0n。i'_0m代表第m个采样点处实际采样到的故障暂态零序电流。

S4、利用余弦相似度，计算第m个采样点处实际采样得到的故障暂态零序电流i'_0m与仿真得到的标准电流波形i_0m之间的相似度，公式为：

其中ρ_m为相似度；p为故障暂态零序电流故障后两个周波内的采样点数；k代表故障后的采样点序号；m＝1，2，3，…，n。

S5、分析两个相邻采样点的故障暂态零序电流相似度差异，据此判断故障是否发生在此相邻两个采样点之间。根据故障位置之后的零序波形相似度高、故障位置之前的零序波形相似度低这一特点，实现准确地故障定位。假设采样点i和采样点j相邻，若ρ_i＞k_setρ_j或ρ_i＜ρ_j/k_set，则故障发生在这两个相邻采样点之间；若任意两个相邻采样点i和j均不满足这一条件，则故障发生在母线处。k_set为整定系数，一般取为2。

具体实施时，某典型经消弧线圈接地的配电网如附图2所示，该模型是一个10kV的配电网馈线系统，馈线由架空线和电缆构成，出线共有6条，其中线路1为架空线—电缆混联线路，由20km架空线路和10km电缆组成，并有10km电缆分支线路；线路2、线路3和线路4为电缆线路，其余为架空线路。1)架空线路参数：r₀＝0.23Ω/km，r₁＝0.096Ω/km；l₀＝3.66mH/km，l₁＝1.22mH/km；c₀＝0.007μF/km，c₁＝0.011μF/km。2)电缆线路参数：r₀＝0.34Ω/km，r₁＝0.11Ω/km；l₀＝1.54mH/km，l₁＝0.52mH/km；c₀＝0.19μF/km，c₁＝0.29μF/km。

下面结合实施例描述本发明所述一种基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法，不失一般性，假设馈线1的采样点1-3和采样点1-4之间发生了经过渡电阻R_f＝0.1Ω的单相接地故障，为确定故障区段定位方法，包括如下所述具体过程：

第1步，在PSCAD/EMTDC软件中构建对应的配电网电磁暂态等值电路，在馈线母线处设置单相经过渡电阻100Ω接地故障，获取各采样点得到的零序暂态波形，作为标准波形。

第2步，馈线1的采样点1-3和采样点1-4之间发生了经过渡电阻R_f＝0.1Ω的单相接地故障，得到各采样点故障零序暂态波形。

第3歩，计算各采样点处的故障零序暂态波形与其标准波形的余弦相似度。以馈线1为例，采样点1-1相似度为：0.1059；采样点1-2的相似度为0.1043；采样点1-3的相似度为0.1029，采样点1-4的相似度为0.5487，采样点1-5的相似度为0.4643，采样点1-6的相似度为0.4621，采样点1-7的相似度为0.4608，采样点1-8的相似度为0.4603，采样点1-9的相似度为0.4512，采样点1-10的相似度为0.4462，采样点1-11的相似度为0.4708，采样点1-12的相似度为0.4482，采样点1-13的相似度为0.4336。

第4步，分析两个相邻采样点的故障暂态零序电流相似度差异，据此判断故障是否发生在此相邻两个采样点之间。由于采样点1-4和采样点1-3相邻，且1-4的相似度为1-3相似度的5.33倍，满足ρ_i＞k_setρ_j，k_set＝2这一条件，因此故障区段为采样点1-3至采样点1-4之间。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种基于余弦相似度的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、建立待定位的中压配电网的电磁暂态数字仿真模型，包含110kV变电站主变压器模型、中压配电线路模型、配电变压器模型和负荷模型；

根据实际配电网中电流监测点的个数n，在数字仿真模型对应位置处设定n个采样点；采样点的序号按以110kV变电站中压侧母线为起点，以配电变压器为末端顺序编号；

步骤2、在110kV变电站中压配电线路母线处设置单相接地故障，获取各采样点处的标准波形数据；

通过在变电站中压配电线路母线处设置单相接地故障，得到中压配电线路各采样点的故障暂态零序电流i₀₁，i₀₂，…，i_0n；i_0m表示第m个采样点处采集到的故障暂态零序电流，m＝1，2，3，…，n；称为第m个采样点处的标准电流波形；

步骤3、当实际配电网发生单相接地故障，通过现场各采样点处采样得到实际的故障暂态零序电流；

当实际配电网发生单相接地故障时，现场各采集点处将采样得到实际的故障暂态零序电流i'₀₁，i'₀₂，…，i'_0n；i'_0m表示第m个采样点处实际采样得到的故障暂态零序电流，m＝1，2，3，…，n；

步骤4、基于余弦相似度求取实际故障暂态零序电流数据与标准波形数据的相似度；

利用余弦相似度，计算第m个采样点处实际采样得到的故障暂态零序电流i'_0m与仿真得到的标准电流波形i_0m之间的相似度，公式为：

其中，ρ_m为相似度；p为故障暂态零序电流故障后两个周波内的采样点数；k代表故障后的采样点序号；m＝1，2，3，…，n；步骤5、分析两个相邻采样点的故障暂态零序电流相似度差异，从而判断是两个相邻采样点之间发生单相接地故障或母线发生单相接地故障；

通过分析两个相邻采样点的故障暂态零序电流相似度差异，判断单相接地故障是否发生在两个相邻采样点之间；设采样点i和采样点j相邻，若ρ_i＞k_setρ_j或ρ_i＜ρ_j/k_set，则单相接地故障发生在这两个相邻采样点之间；若任意两个相邻采样点均不满足这一条件，则单相接地故障发生在母线处；k_set为整定系数，取值为2。

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